RFID

RFID专题:12 无线电射频标准

2022-01-05 10:19:06 明申科技 633

超高频 RFID无线电射频标准

3.1.1 RFID与无线电频谱

谈到超高频射频识别(UHF RFID)技术,大家经常会遇到协议和工作频率的问题,如中国频率是多少?欧洲频率是多少?为了解答这些问题,我们先从全频电波频谱讲起,如图3-1所示,为无线电波的全频段分类:


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图3-1 全频电波频谱

图中的各个频段内容比较生动,可以很直观的了解从长波(Long-waves)、广播(Radio)、电视(TV)到微波频段,再到红外线、可见光、紫外线和X射线的频谱和波长。这里我们关注的协议是860~960MHz频段的EPC C1 Gen2(ISO 18000-6C)部分。

3.1.2 全球超高频RFID的无线电频谱规范

超高频RFID在各个国家和地区频段分配是不同的,其射频输出及发射规范也各不相同,如图3-2所示为全球各区域的频率规划。


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图3-2世界各地超高频频率分布图

从世界各地的超高频 RFID频谱分布看,除了中国的840~845MHz频段外,其它地区的频段都在EPC C1 G2的860M~960MHz范围中。中国的超高频有两个频段,第一个频段840~845MHz(简称China1)全球支持的阅读器很少,一般只有本土的特殊项目才会使用这个频段。一般情况下我们提到中国超高频 RFID频段常指920~925MHz(简称China2)。如图3-3所示,从频带宽度来分析,美国(北美)频段最宽,中国、新加坡、韩国的频段都在美国频段范围内。可见美国在超高频 RFID投入的力量是非常大的,这也同时印证了北美市场占得最大的超高频市场份额。从这个频段也可以理解到现阶段的超高频 RFID市场已经是一个全球市场,在产品的设计和生产上一定要考虑全球化的因素。比如一款超高频 RFID标签的设计,其具有100MHz带宽,以支持860MHz附近的欧洲频段,同时也要支持美国和日本频段,这也给设计和开发带来了更多的挑战和机遇。


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图3-3世界超高频常见地区频带范围图

在讨论各个国家和地区的无线电规范时,除了要关注其工作带宽(Span),还要考虑其他的一些参数,包括:中心频率(Mid-band frequency)、频道数量(Channels)、全向辐射功率(EIRP)、频道宽度(Channel BW)、频带抗干扰特点(Technique),如表3-1所示。

表3-1世界超高频RFID常见地区标准指标


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表格中最重要的参数是全向辐射功率和带宽。其中,全向辐射功率决定了系统的工作距离,而带宽决定了系统的容量和抗干扰。带宽越大,则具有更多的信道数量,在一个大型的仓库中,可以有多台阅读器同时工作,同理当遇到干扰的时候,可以通过切换工作信道的方式进行规避。频道宽度决定了阅读器与标签通信的最大速率,不过这一点在中国的实际应用场景中一般都直接被忽略。需要注意,根据中国无线电管理委员会规定,信道宽度为250kHz,使用超过250kHz的链路速率是违反国家无线电管理规范的。

3.1.3 LBT (先听后说)与Hopping(跳频技术)

01、全球频谱资源管理规范组织

在3.1.1节的学习中我们发现全球各地的超高频RFID工作频率、带宽都各不相同,这个是由什么决定的呢,是什么部门制定的呢?这里先介绍一下各个国家和地区的制定标准的组织:

  1. 中国制定和管理的部门是国家信息产业部无线电管理委员会,国家无线电监测中心,简称MII(Ministry of Information Industry)。在应用中许多项目都要求超高频RFID阅读器通过无委认证,就是指的这个MII认证。

  2. 美国制定和管理的机构是联邦通信委员会,简称FCC(Federal Communications Commission),其中FCC Part 15.247内容为超高频RFID相关标准,卖到北美的产品都要通过FCC认证。

  3. 欧洲制定和管理的机构是欧洲电讯标准协会,简称ETSI(European Telecommunications Standards Institute),其中ETSI EN 302-208-1内容为超高频RFID相关标准。

  4. 韩国制定和管理的部门是信息通信部,简称MIC (Ministry of Information and Communication)。

关于阅读器的射频指标认证内容在6.2.2节有详细讲解。

02、LBT/CCA技术

从表3-1的技术特点一栏可以发现,在频带抗干扰技术上,欧洲和其它地区都是不一样的。欧洲使用的是LBT/CCA技术;而其他地区使用的是跳频(Frequency Hopping)技术,这些都是由各地区的情况决定的。

LBT/CCA全称Listen Before Talk /Clear Channel Assessment,中文意思为监听载波/无干扰信道评估。该规范要求阅读器发射信号之前,先监听一下所有的信道,并记录各个信道的使用情况,然后选择空闲的信道进行工作,如图3-4所示为该规范的示意图。


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图3-4现行欧洲UHF RFID法规 LBT/CCA

从图3-4中很容易理解LBT/CCA这个技术,即每次工作前进行监听,之后每间隔4秒再次进行监听,其目的是防止意外的信号干扰当前的阅读器工作。这个技术的优点非常明显,每一个新的信道都与之前的互不干扰,缺点是每次工作的时候都要先监听一下,需要消耗一定的时间。当然这个跟ETSI制订的标准有很大关系,欧洲频段只有2MHz的带宽,4个信道。由于信道太少,且是独享带宽,没有办法与其他阅读器系统共用。如果使用跳频的方式,会有很大的冲突的机会,整个系统的效率会大大的降低,只有选用LBT/CCA的技术手段才能克服信道少的缺点,通过牺牲监听时间来降低阅读器之间的干扰。

03、跳频技术(Frequency Hopping)

跳频技术被多数地区所采用,这里我们就用中国频率来举例。中国频率有两部分920 ~ 925 MHz和840 ~ 845MHz,常用920 ~ 925 MHz部分。920 ~ 925 MHz内共有16个信道,每次工作的时候随机选择一个信道,2秒内换下一个信道进行工作,如此反复,如图3-5所示。


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图3-5跳频在中国频率

在图3-5中的阅读器开始工作就直接随机选择了一个信道8,0.8s后又换了信道11,再0.3s后跳到了信道2,保证2s内换一下工作信道,防止一个信道被长期占用(在FCC、CE等认证中,这个时间会有不同要求,如在FCC为小于400ms)。

跳频工作优点:最大优点在于较强的抗干扰能力、保密性好和抗多径干扰等。

在美国,超高频 RFID频率902 MHz~928MHz共26MHz是工科医(ISM)频段,因而必须采取跳频扩频的工作模式来抗干扰。比如LoRa、Sub 1GHz的FSK等通信技术都是共用此频段,这些技术的规范也要采用跳频的方式进行抗干扰。

我国超高频RFID设备使用的920 MHz~925MHz频段与点对点立体声广播传输业务共用,所以也采用跳频扩频的方式来减少干扰。

最后强调一点是在开发阅读器的时候,绝对不允许出现定频的情况出现(实验室测试除外)。现在大量的国产阅读器都开发了定频工作模式,而非跳频工作模式,对行业的推广带来了很大的负面影响。一般正规阅读器厂商的设备都是默认跳频工作模式,且无法被强制修改。

3.1.4 ERP与EIRP

在表3-1中的世界各地的标准辐射功率一栏中,存在两个不同的单位,ERP和EIRP。ERP和EIRP与dBi和dBd这两个单位的知识点非常类似,ERP和EIRP的区别为采用不同单位,如图3-6所示为ERP和EIRP的辐射示意图。

ERP = Effective Radiated power等效辐射功率,相对偶极子天线对比,对应dBd。

EIRP = Effective isotropic radiated power等效全向辐射功率,相对全向天线对比,对应dBi。

ERP的物理意义是:发射机功率乘天线增益,计量单位可以用W、mW、dBW或dBm。表达公式如下:

  • ERP = PT ×GT,其中PT为发射功率,GT为天线增益。

  • ERP (dBW) = PT (dBW) + GT (dBi)(用dBW表示发射端口功率和天线的联合效果)。

  • EIRP的原理与ERP相同,EIRP (dBW) = PT (dBW) + GT (dBd)。

  • 这两个单位的关系和换算公式为:PEIRP = PERP × 1.64;

  • 或表示为:(dB)PEIRP =(dB) PERP +2.14dB。


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图3-6 EIRP与ERP示意图

中国标准规定最大辐射功率为2W ERP,可以表示为3.28W EIRP。意思是在中国使用的所有超高频RFID设备发射的信号在空气中最大的等效全向辐射功率为3.28W。

【例3-1】一个阅读器使用的天线增益为8dBi,不考虑馈线衰减天线失配等因素时,端口允许输出的最大功率是多少?

解:理论上阅读器的输出功率为PT=33+2.15-8=27.15dBm。约为0.5W输出功率。

从例3-1中可以看出,最大输出功率只有0.5W,小于一般阅读器的最大输出功率。一个系统中并不是天线增益越大越好,输出功率越大越好,一定要符合国家的标准才行。现阶段国内的无线电监管还不严格,尤其是在一些特殊应用中,存在设备超标发射,最终输出功率超过2W ERP规范。相信今后RFID项目越来越多,若大家都不遵守规范,相互干扰会越来越严重。因此各个阅读器厂商和项目集成商需要严格遵守国家和地方的无线电规范。

谈到最大发射功率问题,还有一个一直以来备受关注的问题,那就是标签能工作多远的问题。相信这个问题一定一直困扰着很多人,因为大家所听到的结果各异,标准也不同。尤其是针对固定式阅读器,自身没有天线,那么选择不同的天线,其对外的辐射功率就不同,针对不同的标签的工作距离也就不同。所以针对阅读器的工作距离,本书给出一种统一的评判标准。同样,标签的工作距离也是按照这个方法来计算出来。根据式(2-14):


9.png合并Pt和Gr,变换可得:


10.png(3-1)

其中已知在中国11.png,一般的偶极子标签增益12.png(2dBi),芯片的灵敏度为13.png(-18dBm),标签芯片与天线的匹配效率约为14.png(一般设计的比较好的天线可以达到0.8左右),标签天线的辐射效率为c4723ff2eb5c4671bdfa26b1c4b6eab0.png(偶极子天线的辐射效率为0.5),标签天线的极化损耗效率为16.png(针对阅读器天线为线极化,如阅读器天线为圆极化,则17.png)。

将上述参数带入式(3-1)计算为:


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通过上面的计算可知,如果一个标签的工作距离在上述环境中达到了9.4m,说明这个标签是达标的。

同样,将美国PEIRP=4W带入式(3-1),可以算出美国标准情况下标签的工作距离为:


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面对中国客户询问标签或阅读器的工作距离,我们的回答是9.4m;面对美国客户我们就可以回答标签或阅读器的工作距离是10.6m,当然上述的前提条件要说清楚。这个计算数据也是理论值,只有在完全没有反射的全波暗室环境中测试才会出现这个准确的工作距离。在普通的测试环境中,由于反射的加强效果,实际测试距离会略大于理论值。

通过对超高频 RFID的无线电标准的学习,大家需要掌握各个国家的标准的差异,无论在技术还是商务层面都是很重要的。其次面向欧洲的阅读器需要考虑LBT/CCA的设计和操作流程,同样,面向北美和中国的供应商应严格按照协议设置跳频的功能。本节最重要的部分是关于标签工作距离的计算,希望能成为行业的统一标准,为行业的沟通带来便利。


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